JPH03503459A - 量子井戸電気光学デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 量子井戸電気光学デバイス １亙立互 本発明は、概していえば半導体デバイス、取分け、量子井戸半導体電気光学デバ イスに関する。

１見１亙 電気光学デバイスは、軍事用と市販用の両面で現代の光学系の重要部分となって いる。この種の電気光学装置は、半導体デバイスを含み、典型的にはＫＤＰ及び ＬｉＮｂ０．のような？！ｌｊｔから成る。しかし、この種の物質は、単一チッ プ上に統合することができず、光学系では通常は個別の素子として用いなければ ならない。その結果、現状のこの形式の光学系は、大きく、重く、かつ高価であ る。

極小半導体デバイス技術の新たな発達によって、今日では種々の光学構成要素を 単一チップ上に統合する新世代デバイスが可能となった。この種のデバイスの１ つは、半導体中の量子井戸に関する技術と、光学位相移相器及び変調器の両者を 実現するために先行技術で利用されてきた量子閉じ込めシュタルク効果とに基づ いている。

半導体中の量子井戸については、半導体間の電子トンネル効果の概念と共に、Ｒ ，ツ及びり、エサキ（Ｒ，Ｔｓｕａｎｄ　Ｌ、　Ｅｓａｋｉ）によって１９７３ 年の応用物理学会書簡、２２　、　５６２　　［ＡＰＰｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｓ ｔｔ、　２２．５６２　（１９７３）］に開示されている。更に、量子閉じ込め シュタルク効果についても既に開示されているが、その典型例は、Ｄ。

Ｓ、ケムラ及びり、Ａ、Ｂ、ミラー（Ｄ、Ｓ、　Ｃｈｅｍｌａ　ａｎｄＤ、Ａ、 Ｂ、　Ｍｉｌｌｅｒ）による、１９８５年のアメリカ光学学会ｉ＠　［Ｊ、　Ｏ Ｐ！、　Ｓａｃ、　Ａｍ、、　Ｂ、　２．１１５５　（１９８５）Ｉ　のＢ。

２、　１１５５の発表である。

量子井戸では、例えば分子線エピタキシーによって成長させられる半導体物質の 層は、最純構造物が超格子の形態で、異なる半導体で作られたクラッド層の間に 挾み込まれる。この量子井戸の寸法は例えば１００人の規模というように極小で あるので、量子井戸に対して直角の方向への電子の運動は、量子化されて、伝導 帯と価電子帯中でそれぞれ電子側帯と正孔側帯を形成することになる。これに加 えて、半導体中の１組の電子と正孔によって、励起子として周知の、水素原子と 類似の束縛状態が形成され得る。量子井戸中では励起子の束縛エネルギーはバル ク半導体中より大きいので、これらの励起子は室温において安定である。この安 定性によって量子閉じ込めシュタルク効果が生じる。

量子閉じ込めシュタルク効果では、励起子を形成する１組の電子と正孔の生成に 関連する、量子井戸中でのピーク光学吸収特性の波長は、加えられる電場に応答 して変化する。この変化は２つの理由によって生じる。その第１は、量子井戸中 の電子側帯と正孔側帯の間のエネルギーの差が与えられる電場の関数として変化 することであり、第２は、励起子の束縛エネルギーが加えられる電場と共（、− 変化ずｂことである。量子井戸中の電子及び正孔と不純物並びに量子との相互作 用によ・っで、励Ｆ子形成に関連する光学吸収特性は有限のスペクトル輻を有す る。し、たがって、励起子吸収特性の波長に近い動作波長（：おける量子−井戸 標本を通しての伝送は、励起子＠、歇時特性動作波長に「同調」する時、加えら れるバイアスの関数として変化する。光学信号を光学的に変調するためにこのよ うなデバイスを利用する時（ごは、ｔｏｏ、０ＯＯＶ／Ｃｒ１ｖの規模の電場が 必要である。

また、物質の屈折率の実数部と虚数部の間の関係を表わすクラマースークロニッ ヒの関係式によ−）でも、ピーク吸収特性の変化によって、ピーク吸収特性の波 長より幾分大きな波長において、量子井戸系の屈折率の変化を生じる。したがっ て、量子井戸構造物において相当な大きさの位相変化を得ることが可能になる。

したがって、改良された量子井戸半導体デバイスを提供することが本発明の目的 である。

量子井戸半導体デバイスを用いて光ビームの変調を改良することが本発明の更な る目的である。

量子井戸半導体デバイスを用いて光ビームの位相変化を改良することが本発明の 更なる目的である。

更に加えて、電気光学位相移相器又は１ｉＥ気光学変調器の何れとしても動作す る、量子井戸半導体デバイスの配列を実現することが本発明の目的である。

光学装置系で他の形式の光学構成要票と統合できる、改良された電気光ヴテバイ スを提供することが本発明の更なる目的である。

Ｊ！　ｌ！！１ｔＶＪ−示− 手短かに言λば、本発明の上述の目的及びその他の目的は、量子閉じ込めシュタ ルク効果によってではなく、量子閉じ込め励起その共鳴電場イオン化の効果であ る新！７い効果によって動作する、新型の量子井戸半導体デバイスで実現される 。このデバイスは、相互に接近し半導体陣！！！域で隔離される、異なる輻の少 なくとも２つの量子井戸を何する半導体デバイスを製作することによって得られ る。、２つの量子井戸は、輻が異なっているために、２つの量子井戸を横断して 外部電場が与えられた時に電子側帯の共鳴を可能にする、異なった電子側帯及び 正孔側帯のエネルギー・を有する。共鳴状態では、電子はトンネル効果によって 量子井戸間の障壁城を貫通して往復し。

それによって励起子吸収特性近傍の光の吸収係数を変化させる。これにより、入 射光ビームを位相変化又は変調する手段が提供される。

図面の簡単な説明 本発明の上述の目的及びそれに伴う利点は、同類の物質を同類の部品で指示する 以下の図面を参照することによって明白となろう。

第１Ａ図及び第２Ｂ図は、本発明の動作を理解するのに役立つ、エネルギー帯の 説明図である。

第２図は、半導体デバイスの多層横道物を示すことで電気光学位相移相器を概括 的に表現する概略図である。

第３図は、第２図の半導体構造物を利用する電気光学位相移相器の透視図である 。

第４図は、本発明による電気先学変調器を実現する半導体構造物を示す概略図で ある。

第５図は、第４図に示す構造物を利用する電気光学変調器デバイスの透視図であ る。

第６図及び第７図は、本発明を理解するのに役立つ、２組の特性曲線である。

ｌ畏りを工大」題二吏−（−九−めヲのｇＬＬレーい一形一態ここで図面、特に 第１Ａ図及び第２Ｂ図を参照すると、相互に接近して配置されているが障壁１４ で隔離されている、ｄ、及びｄ、の異なる−の２つの量子井戸１０及び１２に関 するエネルギー帯の図が示されている。第１Ａ図及び第２Ｂ図の図の１一部は伝 導帯中の電子の側帯エネルギーを表し、図の下部は価電子帯中の正孔の側帯エネ ルギーを表す。ここで気付くように　量子井戸中の正孔の１組ｊす、励起子とし て周知の束縛状態を形成している。

２つの量子井戸］Ｏ及び１２の幅が異なっているために、２つの量子井戸は、参 照番号１６．１．８．．２０、及び２２で示されるような異なった不等のエネル ギーを有している。第１Ａ図に示すように外部電場が加えられていない時には、 量子井戸］２が電子と正孔の両方とも量子剖戸１０のエネルギーのレベルよりも 大きい最小エネルギーのレベルを有していて、電子側帯エネルギーと正孔側帯エ ネルギーは等価である。しかし、予定の外部電場が加えられると、電子側帯を共 鳴させることが可能である。その時、電子側帯エネルギーのレベル１６及び１８ は実質的に等価になる。しかし、正孔側帯エネルギーのレベル２０、及び２２に は同様の状況は存在しない。

第２Ｂ図に示される状態の下では、障壁１４を貫通して量子井戸］０及び１２の 間を往復する共鳴電子のトンネル効果が生じ、その結果、励起子吸収特性近傍の 光の吸収係数を変化させる。

この事は、本発明による量子井戸デバイスに印加される、Ｏ１２，０，３，０、 及び４．５Ｖのそれぞれの電圧に対してのヌ射光子に関する吸収特性を４つの曲 線、ａ、ｂ、Ｃ１及びｄで表す第６図で更に説明される。実質的に３．ＯＶのバ イアス電圧（曲線Ｃ）に関して示されるように、領ｆｄＲで図形上の劇的な変化 が生じるが、これは共鳴状態を示す。

電子側帯を共鳴させるのに必要な電場は、２つの量子井戸１０及び１２の詳細に 依存するが、これまで量子井戸半導体デバイスを通しての光の光学的変調を達成 するために利用されてきた、量子閉じ込めシュタルク効果を実現するのに必要な 電場１００，０ＯＯＶ／ａｍに対して、一般に４０．０ＯＯＶ／Ｃｍの規模であ る。

当出願者は、異なる幅の量子井戸が相互に接近して成長し、量子井戸の電子側帯 が共鳴させられる所では、吸収係数の変化、及びそれに対応する屈折率の変化は 、量子閉じ込めシュタルク効果に関して得られる結果に比較して極めて大きいと 予見していた。この効果は、量子閉じ込め励起子の共鳴電場イオン化と呼ばれて きた。

当出願者は、量子閉じ込め励起子の共鳴電場イオン化に関連する吸収係数の変化 は１０，０ＯＯＶ／ｃｍの規模、それに対応する屈折率の変化は０．００１の規 模であると理論的に量定した。これによって、活性化した量子井戸を通しての伝 播の距離がμｍの規模である本発明によるデバイスにおいて、減衰量変化、又は 位相変化の妥当な量を今や誰でも得ることができる。

上記を基に、光学位相移相器を説明する第２図及び第３図の考察に入る。他方、 第４図及び第５図は光学変調器の説明である。これら両者の実施例は、量子閉じ 込め励起子の共鳴電場イオン化の原理を利用している。

ここで第２区を参照すると、基板２６上で個別の隣接する層中に成長した活性化 された量子井戸２４が、活性領域２４の上を覆うかぶせ層（ｃａｐｐｉｎｇ　１ ａｙｅｒ）　　２８と共に、部分断面図で示されている。活性領域２４は、選択 的に異なる輻を有し、量子井戸の組が薄い予定の幅の半導体障壁層（Ｂ、Ｌ、） 　、３２．・・・３２．・・・３０、によって分離されている、独立の複数（ｎ 個ンの量子井戸（Ｑ、Ｗ、　）層、３０３．３０１．３０．・・・３０、から成 る。活性領域２４に電場を印加するために、基板２６及びかぶせ層２８の露出さ れている外面層にそれぞれ具えられたオーム接触層３４及び３６が含まれている 。活性領域２４の厚さは１μｍかやや大きい程度の規模で、もし光が量子井戸層 間の境界面に平行に伝播すると、共鳴電場イオン化状態になるバイアスがデバイ スに加えられる時に、デバイスから放射する光は入射する光に対して位相変化を 生じる。

この事は、８６０ｎｍ、８７０ｎｍ、８８５ｎｍ、及び９００ｎｍの波長に関し て、それぞれ第７図の４つの曲線、ｅ、ｆ、ｇ、及びｈによって示される。曲線 、特にｅ、ｆ、及びｇは、共鳴している量子井戸の結合の直接的な結果である６ 、Ｏｖ及びｉｏ、ｏｖの間のバイアス領域において、特色ある隆起を示すことが 分かる。

このような量子井戸構造物は、例えばレーザのような光源（示されていない）を 含む１つの光学チップの設゛計に容易に統合することができる。この統合によっ て、層に平行に偏光させられた光に対する挙動と層に直角に偏光させられた光に 対する挙動とが異なるという固有の柔軟性がデバイスに具わる。

ここで第３図を参照すると、その配列が量子井戸構造３８１、及び３８．から成 る、共通の基板２６上に作り付けられた１次元の位相移相器配列が示されている 。各部分は、各部分を通って光を伝播させる独立の位相移相器として動作させる ために用いられる。したがって、光源は共通のものでも良いし、若しくは光源を 幾つかの異なった１つ又はそれ以上の位相移相器要素に別々に入射しても良い。

光源の特性によっては、活性領域、すなわち、量子井戸構造物２４の独特の設計 で関連する位相変化が決定される。

ここで第４図を参照すると、光エネルギーを変調するために用いられる、本発明 の実施例が開示されている。

このデバイスは、障壁層、３２．・・・３０．によって分離されている、選択的 に異なる幅の複数の量子井戸層、３０、・・・３０．から成るｎ個の層の活性領 域２４を含んでいる点で、第２図に示すデバイスに類似している。

しかしここでは、基板２６は、デバイスを通って伝播する光エネルギーの出口窓 として動作する１つ又はそれ以上の開口部４０を含んでいる。更に、かぶせ層２ ８は、透明若しくは光透過性の層から成る。ここでは、光エネルギーは量子井戸 境界層に対して直角に結合される。オーム接触層３４及び３６が含まれるが、こ れらは基板の開口部４０及びかぶせ層２８上の露出域４２では取り除かれている 。ここでは外部光源からの入射面波（示されていない）は、デバイスを横断する につれて減衰する。この減衰量は、電気的接点層３４及び３６に印加される電圧 によってデバイスに加えられる外部電場に依存する。

ここで第５図を参照すると、基板４０中に矩形の窓配列、４０ｍ、４０ｍ’　− ・＋ｏ、−，，４０１として形作られている、２次元の空間光変調器が示されて いる。第５図に示す構造物の背面上に入射される光は、活性領域２４を通過し、 それぞれの窓、４０．・・・４０．を通って変調光として放射する場所へ伝播す る。ここで、オーム接触層４０が、各領域に独立してアドレスでき、デバイスの 個々の領域上で入力エネルギーが与えられる外部電場により各位置でそれぞれの 輝度変調を受けるように、例えば、かぶせ層上の個別の部分４０′中に基板上の オーム接触層３６と共に形作られる。

第５図に示す光学変ｔ！４構造物は内面に対して直角の入射光を有するが、必要 な際には、第２図に示すように量子井戸の内面に対して平行に光を伝播する変調 器を実現することもできる。

これらの各々の場合においても、本発明で開示するデバイスは、１つの光学チッ プに統合することができ、量子井戸境界に対して平行又は直角な偏光と共に用い ることもできる。本発明によるデバイスは、第２の半導体材料上で眉間に、例え ば典型的には分子線エピタキシー（λ（ＢＥ）というような既知の結晶成長技術 によって、量子井戸材料の帯間隙よりも大きな帯間隙で１００人規模の極めて薄 い層を成長させることが可能な、どのような形式の半導体材料からでも製造又は 製作することができる。

デバイスの特性に影響する量子井戸材料及び周囲材料の特性は、これらの帯間隙 であるが、電子及び正孔の実効質量と、帯の片寄り、つまり量子井戸材料及びク ラッド材料中の基点帯の絶対値間の差異と、帯間隙の近傍における半導体の光学 特性と、室温又はデバイス動作温度における励起子再結合時間とに依存する。量 子井戸材料及びクラッド材料のための特定の半導体を用いて、デバイスの２つの 量子井戸の幅と、量子井戸を分離する障壁の輻とを選択することによって、デバ イスの特性に対する制御性を付加することができる。指定された波長における所 与の偏光に対してのデバイスの性能を最適化するように、これらのデバイスのパ ラメータを選択できる。

単一の素子にするか、若しくは位相配列にするかの形態の選択は、用途からの要 求による。

本発明の電気光学デバイスでは小さな外部電場しか必要とせず、したがって小さ な電力しか必要としないので、電場による破壊とそれに伴う破壊の可能性は極め て低い。

また、本発明により製作されるデバイスで得られる光学位相又は光学減衰の変化 量は、量子閉じ込めシュタルク効果によって得られるデバイスでの変化量よりも 遥に大きいので、デバイスの活性領域を通る光学通路長を小さくてき、これに相 応して活性量子井戸材料の密度を小さくできる。

本発明の好ましい実施例として現在考えられる事例について例示、説明してきた が、これらは説明するためのものであって、制約するためのものではない。した がって、本発明の真意と範囲内から生じる改造、変更は総て本発明に含まれる。

ＩＣＩＡ ＩＧ２ ＩＧ４ 国際調査報告 国際調査報告 ＳＡ　　　　２９２４５

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．半導体電気光学デバイスであって、基板と、 前記基板上に配置される多層の半導体量子井戸構造物にして、薄い半導体障壁層 によって相互に隔離される互いに異なる幅の少なくとも２つの量子井戸層を含む 半導体量子井戸構造物と、 前記半導体構造物上の外側かぶせ層にして、前記量子井戸構造物を前記基板とか ぶせ層の中間に配置するかぶせ層と、 前記量子井戸構造物を横切って電圧を印加するための装置にして、該電圧を印加 すると、前記少なくとも２つの量子井戸層横切って電場を発生させ、前記異なる 幅の量子井戸層の電子副部エネルギーを共嗚状態及び非共嗚状態にすることによ り該量子井戸中の励起子を共鳴電場イオン化状態にさせ、トンネル効果によって 電子が該量子井戸間を往復して励起子吸収特性領域における波長に対する光吸収 係数を変化させる電圧印加装置 とから成る半導体電気光学デバイス。
2. ２．前記量子井戸構造物の前記少なくとも２つの量子井戸層が、それぞれの半導 体障壁層で相互に隔離される互いに異なる幅の複数の組の量子井戸層から成る、 請求項１記載の半導体電気光学デバイス。
3. ３．前記電圧印加装置が前記複数の組の量子井戸層の総てに共通の電圧を印加す るための装置から成る、請求項２記載の半導体電気光学デバイス。
4. ４．前記電圧印加装置が前記基板及び前記かぶせ層上のオーム接触装置から成る 、請求項３記載のデバイス。
5. ５．請求項２記載の半導体電気光学デバイスであって、更に加えて、光学エネル ギーを外部光源から前記複数の組の量子井戸層に向けて前記半導体構造物に対し て実質的に平行に方向づけし、それにより前記量子井戸構造物を貫通して転移さ れる光に量子閉じ込め励起子共嗚電場イオン化に起因する位相変化を与えるため の装置を含む、半導体電気光学デバイス。
6. ６．前記電圧印加装置が前記半導体構造物に対して位相変化制御信号を印加する ための装置を含む、請求項５記載の半導体電気光学デバイス。
7. ７．前記半導体構造物が該半導体構造物の別個の部分の一連の配列から成る、請 求項５記載の半導体電気光学デバイス。
8. ８．前記一連の配列が、前記半導体構造物上で実質的に平行な関係で配列される 該半導体構造物の複数の同類の伸長部分を含む１次元の一連の配列から成る、請 求項７記載の半導体電気光学デバイス。
9. ９．請求項２記載の半導体電気光学デバイスであって、更に加えて、前記半導体 構造物の隣接層の境界に対して直角に光を方向づけするための装置を更に含む、 半導体電気光学デバイス。
10. １０．請求項９記載の半導体電気光学デバイスであって、前記かぶせ層が光透過 性の層から成り、前記基板が前記半導体電気光学デバイスからの光エネルギーの 通路に対して出口窓を与えるための少なくとも１つの開口部を該基板中に含む、 半導体電気光学デバイス。
11. １１．前記電圧印加装置が変調信号を印加するための装置を含み、それにより前 記半導体電気光学デバイスから放射する光を変調する、請求項１０記載の半導体 電気光学デバイス。
12. １２．前記基板が複数の開口部を含み、それにより前記半導体電気光学デバイス から放射する光のための複数の出口窓を与える、請求項１０記載の半導体電気光 学デバイス。
13. １３．前記複数の出口窓が２次元の一連の配列として配列される、請求項１２記 載の半導体電気光学デバイス。
14. １４．請求項１３記載の半単体電気光学デバイスであって、前記電圧印加装置が 前記２次元の一連の配列の各出口悪に隣接する前記量子井戸構造物の領域に対し て独立の変調電圧を印加して独立にアドレスできる素子を与えるための装置を含 み、それにより個々の領域に印加される外部電場によって該一連の配列の予定の 位置で該半導体電気光学デバイス上に照射する入射面波に変調を与える、半導体 電気光学デバイス。
15. １５．前記量子井戸構造物が予定の厚さの量子井戸層と障壁層とが交互する層の 超格子構造物から成る、請求項１記載の半導体電気光学デバイス。
16. １６．前記量子井戸構造物が前記量子井戸層と前記障壁層との間の境界面に平行 な光学エネルギーを伝播する、請求項１５記載の半導体電気光学デバイス。
17. １７．前記量子井戸構造物が前記量子井戸層と前記障壁層との間の境界面に交軸 の光学エネルギーを伝播する、請求項１６記載の半導体電気光学デバイス。
18. １８．半導体電気光学デバイスであって、相互に接近して配置され、薄い半導体 障壁領域で隔離される互いに異なる幅の少なくとも２つの量子井戸を含む、半導 体量子井戸構造物と、 前記量子井戸構造物を横切って電圧を印加するための装置にして、該電圧を印加 すると、前記少なくとも２つの量子井戸を横切って電場を発生させ、該量子井戸 の電子副部エネルギーを共嗚状態及び非共鳴状態にすることにより該量子井戸中 の励起子を共鳴電場イオン化状態にさせ、トンネル効果によって電子が該量子井 戸間を往復して励起子吸収特性領域における波長に対する光吸収係数を変化させ る電圧印加装置とから成る半導体電気光学デバイス。